INTRODUZIONE ALLA COLTIVAZIONE DELLE MICROALGHE Fabio Barbato ENEA

COLTURE MICROALGALI Secondo una definizione entusiastica, le microalghe sono delle fabbriche cellulari alimentate ad energia solare che convertono CO2 e acqua in biocarburanti, cibo, mangimi e sostanze bioattive pregiate. Più propriamente, le microalghe sono microorganismi acquatici che necessitano per crescere di sali nutritivi e di microelementi, oltre che di luce e anidride carbonica. Questo, unito alla grande velocità di crescita che possono raggiungere, senza eguali fra le piante terrestri, le rende candidati ideali sia per produzioni di biomasse da sfruttare in vari modi, sia di biomolecole di interesse per vari settori applicativi. Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Colture di laboratorio METODI DI COLTURA Colture di laboratorio Obiettivi: mantenimento in purezza delle colture monospecifiche, produzione di inoculi per le colture massive, sperimentazioni. Colture massive Obiettivo: ottenimento di quantitativi di biomassa microalgale di qualità adeguata agli usi previsti in tempi definiti. Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Tetraselmis suecica 10 – 15 micron Isochrysis galbana 3 – 6 micron Introduzione alla coltivazione delle microalghe

terreno solido (agar) - millilitri Provette 10-50 ml Beute 100 ml – 3l Contenitori Volumi relativi Piastre terreno solido (agar) - millilitri Provette 10-50 ml Beute 100 ml – 3l Palloni 3l-10l Sacchi 15l-400l Fotobioreattori 100l-25.000l Vasche >100l fino a migliaia di m3 Raceways >10m3 Bacini fino all’ettaro e oltre Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Beute e palloni in vetro pirex Piastra Petri Provette 50ml Beute e palloni in vetro pirex Introduzione alla coltivazione delle microalghe

SCHEMA DELLA MOLTIPLICAZIONE COLTURALE Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Colture semi-continue e continue Colture discontinue Consistono nel portare alle massime concentrazioni possibili le microalghe che poi vengono utilizzate interamente in un’unica volta, eventualmente impiegando parte della coltura come inoculo per le successive. Colture semi-continue e continue Consistono nel mantenere attive le colture per lunghi periodi di tempo, prelevando a intervalli parte del volume, che viene rimpiazzato con nuovo mezzo di coltura. Nelle continue, ricambio e prelievo sono continui. Introduzione alla coltivazione delle microalghe

CONDIZIONI DI CRESCITA Questi i parametri che influenzano maggiormente le colture microalgali: - Temperatura - Illuminazione - Turbolenza - Anidride carbonica - pH - Mezzo di coltura Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Il range ottimale varia da specie a specie. TEMPERATURA Il range ottimale varia da specie a specie. Fra 18 e 20°C crescono bene in laboratorio la maggior parte delle microalghe. Fattore maggiormente limitante per le colture all’aperto. L’influenza della temperatura si esplica anche a livello dei processi biochimici, determinando variazioni nel contenuto di componenti metabolici. Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Necessaria per condizioni di crescita autotrofe (fotosintesi). ILLUMINAZIONE Necessaria per condizioni di crescita autotrofe (fotosintesi). Importanti condizionamenti da quantità e qualità di luce. Effetto di saturazione e fotoinibizione. Effetto “flash”. Le lunghezze d’onda della luce possono determinare differenti risposte metaboliche. Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Effetto dell’intensità luminosa sulla crescita algale Fonte: Miyamoto,1997 Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Parametro necessario ad un buon sviluppo delle colture. TURBOLENZA Parametro necessario ad un buon sviluppo delle colture. Rende il mezzo omogeneo, consentendo una distribuzione uniforme dei gas e dei nutrienti. Evita o riduce la sedimentazione e la stratificazione delle cellule. Migliora l’esposizione alla luce delle singole cellule, esaltando l’effetto flash. Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Effetto di diversi sistemi per turbolenza. Fonte: Torzillo, 2009 Ancoretta magnetica Agitatore multielica Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Necessaria per la fotosintesi, organicazione. ANIDRIDE CARBONICA Necessaria per la fotosintesi, organicazione. Mantiene l’equilibrio fra ioni bicarbonato-carbonato, alterato dalla fotosintesi. Possibilità di smaltire parzialmente le emissioni di impianti industriali attraverso colture microalgali E' possibile la selezione di ceppi particolarmente efficienti per l'assorbimento di CO2 (sink) Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Effetto della CO2 sulla crescita microalgale Fonte: Miyamoto,1997 Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Equilibrio del sistema CO2 – HCO3- - CO32- pH Crescita ottimale delle microalghe per valori intorno o poco superiori alla neutralità. Equilibrio del sistema CO2 – HCO3- - CO32- In acqua di mare i carbonati sono poco solubili per la presenza di ioni Ca2+ e Mg2+ Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Vitamine:generalmente B1 (tiamina) e B12 (cianocobalamina) MEZZO DI COLTURA Sali nutritivi: nitrati e fosfati, i primi in concentrazioni (p/v) di circa 10 volte superiori ai secondi Oligoelementi: sostanze necessarie in piccolissime quantità (Fe, Cu, Zn, Co, Mn, ecc.) Vitamine:generalmente B1 (tiamina) e B12 (cianocobalamina) Chelante: generalmente EDTA disodico Silicati: per le diatomee Tramite deprivazione di particolari elementi si può favorire la produzione di metaboliti desiderati. Esempio: mezzo deprivato di azoto induce la produzione di lipidi ma inibisce la crescita Introduzione alla coltivazione delle microalghe

MICROALGHE PER BIOMASSA Coltivazioni in grandi volumi per ottenere biomasse destinate al consumo umano diretto (es. Spirulina, Chlorella, integratori alimentari). Cibo per organismi allevati in acquacoltura (es. vongole, ostriche, gamberi, rotiferi, artemie). Produzione di biodiesel e biogas Fissazione di CO2 Introduzione alla coltivazione delle microalghe

MICROALGHE PER BIOMOLECOLE Oltre che tal quali, le microalghe possono venire utilizzate per l’estrazione di biomolecole di interesse commerciale contenute all’interno delle loro cellule. Fra queste sono importanti carotenoidi, quali astaxantina e beta carotene, vitamina B12, acido gamma linolenico GLA, acidi grassi polinsaturi, ficocianine, molecole interessanti per vari settori applicativi (nutraceutici, mangimi, cosmetici, coloranti, farmaci ecc.). Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Stato delle colture di microalghe nel mondo Stato delle colture di microalghe nel mondo. Fonte: Tredici, 2007; dati del 2006 Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Schema a flusso di un impianto per la coltura di spirulina Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Schema a flussi per colture microalgali Fonte: Benemann, 2003 Introduzione alla coltivazione delle microalghe

UTILIZZAZIONE E COSTRIZIONI La realizzazione di nutraceutici e di biomolecole pregiate per uso umano determina l'impiego di tecnologie di coltura avanzate, con accurati controlli di qualità. Tecniche un po' meno spinte possono essere adottate in caso di uso per animali. Nell' altro utilizzo che appare promettente, considerando l'inevitabile futuro innalzamento dei prezzi del petrolio, ovvero l'ottenimento di biocombustibili a partire da biomasse microalgali, le tecnologie devono essere semplici e poco costose, pur nel rispetto di requisiti di ecocompatibilità, date anche le estensioni in gioco. Introduzione alla coltivazione delle microalghe

UTILIZZAZIONE E COSTRIZIONI L'abbattimento dei gas serra ottenuto tramite l'organicazione della CO2 realizzata da qualsiasi coltura microalgale è un corollario dotato di un valore economico aggiuntivo. Occorre considerare di volta in volta l'opportunità di insufflare CO2 o di basarsi solo sull'apporto atmosferico. Per raggiungere questi obiettivi di utilizzazione e renderli economicamente validi, occorre considerare attentamente una serie di fattori che ancora pongono problemi per uno sviluppo su grande scala e trovare soluzioni opportune in un’ottica rispettosa dei principi dello sviluppo sostenibile. Introduzione alla coltivazione delle microalghe

Scelta e ottimizzazione di specie e ceppi Tra i punti ancora da affrontare con uno sforzo di ricerca integrato e consistente al fine di ottenere produzioni economicamente interessanti e prolungate nel tempo vi sono: Adeguamento alla localizzazione geografica e alle condizioni climatiche relative Scelta e ottimizzazione di specie e ceppi Tecnologie di coltivazione per dimensioni produttive elevate (massimizzazione dell'efficienza energetica, contenimento delle contaminazioni) Mezzi di coltura Processi di separazione biomassa/mezzo di coltura Metodi di estrazione/trasformazione del prodotto finale Introduzione alla coltivazione delle microalghe

La possibilità di impiego di energie rinnovabili durante i processi produttivi e di trattamento finale, nonché delle conoscenze derivate dalle teorie dei sistemi di gestione ambientale e della qualità di processo e di prodotto rendono l’argomento delle colture microalgali un classico esempio di tema multidisciplinare che richiede, per ottenere soluzioni ai notevoli problemi ancora aperti, un approccio sinergico tra varie competenze tecniche. Introduzione alla coltivazione delle microalghe

GRAZIE PER L'ATTENZIONE Introduzione alla coltivazione delle microalghe